Start Verkehr  
Verkehr Drucken

III. Verkehr (2012)

III.1 Verkehrsarten

III.2 Marktwirtschaft im Verkehr

III.3 Antrieb - 3.1 Hybridstrategien - 3.2 Allradhybrid - 

III.4 Automatisierung im Verkehr - 4.1  Automatisierung im Stadtverkehr - 4.2  Automatisierung im Überlandverkehr - 4.2.1 TRAIN - 4.2.2 CONVOY

III.5 Das Auto der Zukunft

 A III.  Anhang Verkehr: Geschichte , Statistik - Sicherheit - Ktaftstoffverbrauch

Freie Mobilität ist eine Grundvoraussetzung des Lebens. Entzug von Mobilität ist die Strafe schlechthin (verbannen, einsperren). Kontakt zwischen den  Menschen und Bevölkerungsgruppen ist Voraussetzung zum friedlichen Zusammenleben. Wie die Geschichte zeigt, kann man mit anderen Bevölkerungsgruppen nur Handel treiben oder Krieg führen.

Die Organisation der Mobilität für Menschen und Güter ist eine vernachlässigte Aufgabe. Verkehrsplaner verstehen ihre Aufgabe oft in Verhinderung statt Organisation des Verkehr.

Verkehr erfordert eine Infrastruktur (Brücke, Tunnel, Fahrbahn), Verkehrsmittel (Fahrzeuge) und Energie.. Das Entgelt dafür müssen die Nutzer aufbringen. Es billig einzusammeln und denen zuzuleiten, die für die Kosten der Infrastruktur aufkommen, gehört zur Organisation des Verkehrs.

III.1 Verkehrsarten

Die Bedeutung des Straßenverkehrs im Vergleich zu anderen Verkehren wird häufig unterschätzt. In entwickelten Wirtschaftsräumen werden über 90 % der Personenkilometer und über 70 % der Tonnenkilometer auf der Straße zurückgelegt, Tendenz steigend. Und das, obwohl der Schienenverkehr über Gebühr subventioniert wird. Das ideologisch motivierte Geschwätz von „Güter auf die Bahn“ bis „people mover“ führt nur zur unverantwortbaren Belastung des Staates. Bis zu einer Entfernung von 1000 km ist das Auto das überlegene Verkehrsmittel. Zumindest solange es keinen schnellen Zugverkehr gibt, wie ihn gerade China einrichtet. Für längere Strecken das Flugzeug, für Massengüter das Schiff. Mit der Bahn zu fahren zahlt sich nur aus, wenn man nicht umsteigen oder Umladen muss.- Im Innerstädtischen Verkehr ist die U-Bahn das überlegene Verkehrsmittel. U-Straßen fehlen.

III.2 Marktwirtschaft im Verkehr

Die in aller Welt erfolgreiche Marktwirtschaft bietet alles im Überfluss: alles wird von verschiedenen Quellen angeboten, man kann das Produkt oder die Dienstleistung aussuchen, die man bevorzugt. Das Angebot ist größer als die Nachfrage.

 Das andere Wirtschaftsmodell ist die Planwirtschaft. Bei ihr ist die Nachfrage größer als das Angebot. Der Planer verwaltet den Mangel, der ihm so Macht über den Markt gibt. - Die Anhänger der Planwirtschaft behaupten, dass z.B. Nahrungsmittel unter den Herstellkosten angeboten werden sollen, damit alle leichteren Zugang haben. Die Praxis in den Ostblockstaaten hat gezeigt wohin Planwirtschaft und Mangelverwaltung führen. Es herrscht Mangel an allem, aber man kann mit Brot die Schweine füttern oder den Boden säubern, weil es so billig ist. Natürlich wird die Wirtschaft ruiniert, die Brot unter den Herstellkosten liefern muss.

 Planwirtschaft und Mangelverwaltung gibt es aber auch in den Staaten mit Marktwirtschaft, nämlich im Verkehr. Die Staaten gehen von Prognosen aus, die traditionell immer zu kurz greifen. Es gibt daher einen Mangel an Verkehrsraum zum Fahren und Parken mit den bekannten Verlusten in Milliardenhöhe für Stau, Parkplatzsuche und Umwegfahren.

Die Ausreden der vom Staat beauftragten Verkehrsplaner sind: es gibt zu wenig Platz und zu wenig Geld. Beides sind faule Ausreden, denn es gibt in der dritten Dimension immer freien Platz, in Stockwerken unter und über der Erde und die genannten Unkosten sind weit höher als ein ausreichender Ausbau des Verkehrsraum kosten würde.

 Das Problem „Marktwirtschaft im Verkehr“ ist also lösbar. Es gibt genug Platz (auch Tunnel- und Garagenbau ohne die Oberfläche zu stören) und der wirtschaftliche Erfolg ist absehbar. Daneben tritt noch durch den eingesparten Kraftstoff und die kleineren Emissionen ein erheblicher ökologischer Erfolg ein. Der Wirtschaftsraum, dem es als ersten gelingt, Marktwirtschaft im Verkehr einzuführen, wird einen nachhaltigen Vorsprung gegenüber allen anderen haben.

 Bleiben also nur die Fragen

  1. wie sieht Marktwirtschaft im Verkehr aus? Und
  2. wie kommen wir dahin?

Marktwirtschaft heißt auch, dass der Käufer entsprechend seiner Nutzung zahlt und dass das Entgelt, dem zufließt, der die Unkosten (Investition und Betrieb) trägt. Seit Jahrtausenden wird an Brücken zurecht vom Erbauer Brückenmaut erhoben. Heute kosten aber nicht nur Brücken Geld, sondern alle Verkehrseinrichtungen: Fahrwege, Parkplätze, Leiteinrichtungen.

Die Überfüllung der Verkehrswege und Parkplätze zeigt, dass das Angebot nicht der Nachfrage entspricht. Die Nutzung ist nur scheinbar unentgeltlich. Der Staat bietet zu wenig an, verwaltet den Mangel mit Parkzettel und Autobahnvignette. Richtig aber ist es, die Allgemeinheit von den Kosten zu entlasten und sie denen aufzubürden, welche die Einrichtungen nutzen. Natürlich bezahlen die Autofahrer über Gebühr durch alle möglichen Steuern Bau und Erhalt, aber die Zuordnung ist höchst ungerecht. Wer jenseits der Grenze tankt, zahlt die damit verbundene Steuer dem Falschen. Wer wenig und außerorts fährt hat die gleichen Fixkosten wie der Vielfahrer in den Verkehrszentren.

Im Vergleich zur geschichtlichen Brückenmaut ist die Bezahlung ganz einfach: jeder Verkehrsteilnehmer hat ein elektronisches Gerät, das die Minuten zählt, die er sich fahrend oder parkend auf öffentlichem Grund befindet. Dieses funkt nach außen die Bestätigung, dass das Gerät richtig eingeschaltet ist (PKW oder LKW,  groß oder klein). Weil dem Gerät der Standort zugespielt wird (z.B. die Postleitzahl), kann das Entgelt auch nach Standort und Uhrzeit variabel gestaltet werden. Beim nächsten Tanken, überspielt die Tankstelle anonym die Daten an die zuständigen Stellen und kassiert den angefallenen Betrag zur Tankstellenrechnung. Natürlich darf der Staat nicht doppelt kassieren. Er senkt aufkommensneutral die Kraftstoffsteuer, begleicht auch die Haftpflicht, die damit je nach Fahrleistung richtig aufgeteilt wird. Für die Straßenbenutzer entfallen damit Fixkosten, dafür treten Kosten auf, die der Inanspruchnahme öffentlicher Verkehrsflächen proportional sind. – Das Parken kann aus einem vorbeifahrenden Kontrollfahrzeug billig kontrolliert werden. Im Fahrmodus wird beim Einschalten eine halbe Stunde abgebucht, dafür dann eine halbe Stunde nichts. Die Kontrollpunkte können daher eine halbe Fahrstunde weit auseinanderliegen (50 km auf der Autobahn).

Preise für Parken und Fahren: Der Parkplatz am Straßenrand muss so viel kosten, dass in der Regel ein freier Parkplatz in Sichtweite ist. Auf alle Fälle muss er teurer sein als die viel unbequemere  Garage. Der augenblicklich gültige Tarif wird mit dem Standort den Fahrzeugen zugespielt. Er ändert sich mit dem Wochentag und der Zeit, bleibt aber immer unter dem Höchstlimit von etwa 10 ct pro Minute, 6 € pro Stunde. Die Untergrenze liegt bei  1 ct pro Minute, 60 ct pro Stunde.  Diesen Tarif sollten auch die Garagen schaffen, die gut ausgelastet sind und von den Parkplätzen am Straßenrand subventioniert werden.- Der Fahrtarif kann gleichbleibend bei 5 ct pro Minute liegen. Auf der Autobahn (120 km/h = 2 km pro Minute) kosten 300 km (150 Minuten) 7 € 50. Wenn die Kraftstoffsteuer statt 70 ct 30 ct pro Liter kostet, spart der Fahrer bei 20 Liter Verbrauch 8 €, fährt also billiger als mit der höheren Kraftstoffsteuer. Schneller fahren spart nichts, denn der Kraftstoffverbrauch steigt rascher als die Fahrmaut sinkt.

Bis sich eine solche marktwirtschaftliche Regelung durchsetzt, werden noch einige Jahre vergehen. Nicht so sehr für den Ausbau von Garagen und Verkehrswegen als für den Prozess in den Köpfen. Die Einführung kann stufenweise erfolgen.

  1. Stufe: Fahrzeuge können freiwillig ein elektronisches Gerät hinter der Windschutzscheibe haben, das eingeschaltet Parken erlaubt, von einem mit Magnetkarte aufzuladendem Speicher 2 ct pro Minute abbucht und nach außen den Tarif funkt und anzeigt. Vorteile: einfach zu handhaben und zu kontrollieren. Der Fahrer kann unbeschränkt parken und es wird minutengenau abgerechnet.
  2. Stufe: Der Tarif wird an Wochentag und Zeit angepasst den Fahrzeugen zugespielt, z.B. in der Innenstadt am Tag 5 ct pro Minute = 3 € pro Stunde, nachts 1 ct pro Minute = 60 ct pro Stunde = 6 € pro 10 Stunden Nacht. Die Garagen müssen diesen Tarif unterbieten. (Der Sinn gegenüber den Parkpikerl für Anwohner ist es, proportionale Kosten an Stelle der Fixkosten einzuführen.)
  3. Stufe: Das elektronische Gerät kommuniziert mit einer Zentralstelle. Es liefert anonym dahin Ort, Fahrgeschwindigkeit, Temperatur und erhält Hinweise über den Zustand der vorausliegenden Strecke. Die Zentralstelle erhält so permanent ein Zustandbild des Verkehrs und kann entsprechend steuern. Die Firma  Audio Mobil in Ranshofen hat so ein Gerät entwickelt und im Großversuch in Salzburg erprobt. ASG (Anonymes Sensordaten Gateway) heißt das System, Thomas Stottan, der Geschäftsführer,  spricht von einem „Datenteppich“, der über das Land liegend  alle Informationen liefert.
  4. Stufe: Anhand der Daten ist dann eine exakte Planung der zu schaffenden Einrichtungen möglich, die zu einer allen befriedigenden Lösung führt und Milliarden spart. Es gibt dann genug Verkehrsfläche zum Fahren und Parken, die proportionalen Kosten werden richtig zugeteilt, fördern den Umstieg auf den öffentlichen Verkehr, die Städte werden gerne Parkplätze bauen, weil sie ein gutes Geschäft sind. Die Bautätigkeit wird einen positiven Wirtschaftsschub auslösen. Emissionen werden gespart, die Sicherheit erhöht. (Wenn die Gemeinden das Geschäft nicht selbst machen wollen, sollen sie die Flächen verpachten und Privaten die Nutzung überlassen.)

Wann heben wir endlich das Geld auf, das buchstäblich auf der Straße liegt?  Die Regierung, die Parteien, alle vernünftigen Bürger müssten Vorteil und Machbarkeit erkennen. Fangen wir jetzt mit der stufenweisen Einführung an, bevor es uns unsere Freunde in Asien vormachen.


III.3 Antrieb

Kleinstmöglicher Verbrauch - Hybridstrategie



Die Verringerung des Kraftstoffverbrauchs ist eine fortwährende Aufgabe der Autoentwicklung. Steigende Energiepreise und schärfere Vorschriften steigern die Bedeutung dieser Aufgabe. Es stellt sich die Frage nach Fahrzeugen mit kleinstmöglichem Verbrauch, die dann auch Basis einer fundierten Gesetzgebung sein können.


Jedes Kraftfahrzeug hat normalerweise vier Energiespeicher: Kraftstoff, Batterie, kinetische und potentielle Energie. Die Energiespeicher haben sehr unterschiedliche Eigenschaften: der Kraftstoff hat eine hohe Energiedichte (Benzin und Diesel etwa       11.5 kWh/kg), die Batterie etwa 0.1 kWh/kg, die kinetische Energie ist der Fahrzeugmasse und dem Quadrat der Geschwindigkeit proportional, die potentielle Energie der Fahrzeugmasse und der geodätischen Höhe. -  Die beiden chemischen Energieträger gewinnen die erforderliche mechanische Energie über den Umweg Wärme bzw elektrischen Strom mit etwa 35 bzw 85 % Wirkungsgrad. Beim Verbrennungsmotor liegt der hohe Wirkungsgrad bei hoher Last, bei  Elektromotor und Batterie bei niederer. Die Batterie kann überschüssige Energie speichern. Kinetische und potentielle Energie steht mit 100 % Wirkungsgrad zur Verfügung.


Stadt und Überlandverkehr stellen unterschiedliche Ansprüche. In der Stadt sind die Leistungsanforderungen bescheiden, Emissionsfreiheit wichtig; überland sind Leistung und Reichweite gefordert, die Spreizung der erwünschten Leistung kann 1:20 betragen. Beides legt jeweils passende Antriebe nahe, also den Hybridantrieb. Über die zahlreichen Möglichkeiten des Hybridantriebs wird auf die Literatur verwiesen 1).


Energie braucht man zur Überwindung der Fahrwiderstände, zum Beschleunigen und zur Überwindung von Höhenunterschieden, Bild 1.



Bild 1: Über der Fahrgeschwindigkeit ist der Leistungsbedarf bei verschiedener Steigung für einen leichten, strömungsgünstigen PKW (links) und einen Lastzug (rechts) aufgetragen.


Die erforderliche Motorleistung ist etwa 10 bis 20 % größer, weil in der Kraftübertragung (Getriebe, Differential, Wellen) Leistung verloren geht. Die Anpassung des Verbrennungsmotors erfordert Kupplung und Getriebe, die oft mehr als der Motor kosten und relativ hohe Verluste haben, Bild 2.



Bild 2: ZF Getriebeautomat 8 HP 70: Hydrodynamischer Wandler und 8 Gänge.


Um eine bestimmte Geschwindigkeit zu erreichen muss kinetische Energie aufgebracht werden, Bild 3.



Bild 3: Kinetische Energie abhängig von der Fahrgeschwindigkeit in Wh

(1 Wh = 3600 Nm)


Beispiel: für einen 1500 kg PKW beträgt die kinetische Energie bei 100 km/h 164 Wh. Die Energie für das Überwinden der Fahrwiderstände (bei horizontaler Fahrbahn und Windstille) für eine Reichweite von 1000 km ist 105 kWh, also 650 mal so groß. Außerdem wird sie ganz in Reibung und Luftwirbel umgesetzt, geht also verloren, während die  kinetische Energie abzüglich der Übertragungsverluste wieder gewonnen werden kann. Sinnvoll ist es daher für die Fahrwiderstände einen Verbrennungsmotor zu verwenden (dessen verbrauchter Kraftstoff nicht wieder gewonnen wird), für die kinetische Energie aber einen elektrischen Antrieb, der die bei der Verzögerung anfallende kinetische Energie zu etwa 80 % zurückgewinnen und in die Batterie speichern kann. Gleiches trifft für die potentielle Energie zu. (50 km/h entsprechen etwa 10 m geodätischer Höhe, 70 km/h 20 m, 100 km/h 40 m usw.)


Hybridstrategie: Verbrennungsmotor für Fahrwiderstand,

Elektroantrieb für kinetische und potentielle Energie


Das heißt nicht, dass jede Beschleunigung oder Steigung allein von der Batterie bewältigt werden muss. Vielmehr soll ihr Anteil nur so groß sein, dass die zu erwartende Energie aus Verzögern oder Talfahrt gespeichert werden kann.


Hier wird die in Bild 4 vorgestellte Möglichkeit zugrunde gelegt. In der Wirkung entspricht sie dem Toyota THS-System, kommt aber mit weniger Zahnradeingriffen und ohne Differential aus und hat dadurch einen besseren Übertragungswirkungsgrad. Das ist für die Suche nach dem kleinstmöglichen Verbrauch entscheidend. – Die typischen Drehzahlen für VMot und EMot sind 3 bis 10 mal so groß wie die Raddrehzahl. Zur Anpassung ist ein Getriebe unvermeidlich, das aber nur einen Zahnradeingriff haben darf und möglichst klein ist (kleine Pantschverluste). Dieses Getriebe teilt zugleich die Leistung wie ein Differential auf zwei Ausgänge: an einem liegt ein Antriebsrad, am anderen ein Generator. Dieser kann auch den VMot starten. Im Leerlauf dreht sich dann bei still stehendem Antriebsrad der Generator leer durch. Wird das elektrische Feld des Generators erhöht, steigt die Belastung des VMot,  die Stromstärke und die mechanische Antriebskraft, was zur Beschleunigung des Fahrzeugs führt.



Bild 4: Vorschlag eines Hybridantriebs mit Allradantrieb (Allradhybrid) mit besonders geringen Übertragungsverlusten. Der Verbrennungsmotor treibt von beiden Enden je ein Rad über ein leistungsteilendes Getriebe (Differential), an dessen  anderem Ausgang ein Generator liegt. Beliebig viele Räder (auch zusätzlich im Anhänger) werden elektrisch getrieben, was einen einfachen Allradantrieb ohne Differentiale und Übertragungswellen ermöglicht. Jedes Rad ist individuell beim Bremsen und Antrieb schlupfgeregelt. Außerdem kann eine beliebige Aufteilung der Antriebskraft durch elektrische Größen erfolgen (ESP). –  Die Übersetzung wird so gewählt, dass der Generator bei Straßenlast (horizontaler Fahrbahn und Windstille) bei jeder Fahrgeschwindigkeit still steht oder langsam drehend den Strom für die anderen elektrischen Verbraucher oder zum Nachladen der Batterie erzeugt.


Mit dieser Anordnung werden die Übertragungsverluste von 10 bis 20 auf 2-3 % verringert, bei der entsprechenden Einsparung an Kraftstoff.


Wesentlich ist auch die Wahl der Betriebspunkte im Motorkennfeld, Bild 5.




Bild 5: Drehmoment- (links) und Leistungskennfeld (rechts) eines Verbrennungsmotors mit 75 kW. Eingetragen sind die Fahrwiderstandslinien des angegebenen PKWs bei -3 bis 3 % Steigung. Bei der festen Übersetzung i = 0.18 m (i = Drehmoment /Zugkraft) liegen die Betriebspunkte in der Nähe bestmöglichen Wirkungsgrades. Der spezifische Verbrauch in gr/kWh ist in die Betriebslinie links eingetragen. Bei Leistungen unter 6 kW wird der Wirkungsgrad so schlecht, dass besser elektrisch gefahren und die Batterie in einem günstigen Betriebspunkt nachgeladen wird.


Die Übersetzung i ist so gewählt, dass sich z.B. bei 130 km/h eine Motordrehzahl von

1642 UpM ergibt, für 180 km/h 2220 UpM. Bei diesen Drehzahlen liefert der VMot die gewünschte Leistung zum annähernd bestmöglichen Wirkungsgrad. Außerdem steht jederzeit über Generator und EMot eine Mehrleistung zur Verfügung. Diese Mehrleistung stützt zunächst die Batterie. Sie steht ohne jede Verzögerung zur Verfügung.


Mit diesen Annahmen kann überschlägig der Verbrauch berechnet werden, Bild 6.



Bild 6: Verbrauch abhängig von der Fahrgeschwindigkeit. Für die Fahrt auf horizontaler Straße, Windstille und konstanter Geschwindigkeit sind drei Bereiche zu unterscheiden: zwischen 0 und 90 km/h ist der Motorwirkungsgrad wegen der kleinen Leistung so schlecht, dass es günstiger ist elektrisch zu fahren und bei knapper Batterieladung in einem günstigen Motorbetriebspunkt nachzuladen. Zwischen 90 und 220 km/h treibt der VMot mechanisch die beiden Antriebsräder mit 1150 bis 2900 UpM in einem günstigen Betriebsbereich mit sehr geringen Übertragungsverlusten. Auch in diesem Bereich wird annähernd der größtmögliche Wirkungsgrad erreicht. - Im dritten Bereich kommt mit der noch vorhandenen Überschussleistung zusätzlich die elektrische Kraftübertragung ist Spiel. – Bergauf oder beim Beschleunigen kann der Verbrennungsmotor auch bei kleineren als Geschwindigkeiten als 90 km/h zum Einsatz kommen: er dreht dann höher als es der festen Übersetzung entspricht und treibt die Generatoren, die Strom für die EMot liefern. – Soll zum Beispiel der PKW bei 20 m/s mit 1 m/s² beschleunigen, so ist dafür eine Leistung von 50 kW erforderlich. Diese bringt der VMot bei 2600 UpM (siehe Bild 5) und liefert dabei etwa1080 N Zugkraft. Es werden 1080*20=21.6 kW mechanisch übertragen, 29.4 kW elektrisch.




Bild 7: Maximale Beschleunigung rein elektrisch (dünne Linien) und hybrid. Aus dem Abstand der beiden Linien kann der Anteil der mechanisch übertragenen Leistung abgelesen werden. Bei etwa 60 km/h sind die mechanisch und elektrisch übertragenen Leistungen gleich groß. – Die Beschleunigung kann durch eine größere elektrische Leistung verbessert werden.


Mit der Anordnung nach Bild 4 ist ein hinsichtlich des Verbrauchs ein optimales System gefunden. Im unteren Geschwindigkeitsbereich wird ein günstiger Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors bei Nachladen der Batterie und der gute Wirkungsgrad der elektrischen Maschinen bei kleiner Last genutzt, im oberen die bestmögliche Betriebslinie des Verbrennungsmotors und der bestmögliche Übertragungswirkungsgrad. (Natürlich wird man die Batterie dann nachladen, wenn gleichzeitig der Vortrieb des Verbrennungsmotors genutzt werden kann.) - Der Kostenvergleich mit einem konventionellen PKW mit automatischem Getriebe und Allradantrieb ist von der Gesamtleistung abhängig. Er wird wesentlich von der Art und Größe der Batterie bestimmt. Aktuell sind im PKW Bleibatterien zwischen 40 und 80 Ah (0.48 bis 0.96 kWh, etwa 150 €/kWh) üblich, deren Zyklenfestigkeit für den Hybridantrieb kaum ausreicht. Erforderlich ist ein nutzbarer Bereich von mindestens 1 kWh und 10 kW  Dauerleistung mit hoher Zyklenfestigkeit. (1000 €/kWh?) Es muss mit einer Batteriemasse von 20 bis 40 kg und Kosten von 1000 bis 2000 € gerechnet werden. – Für längere elektrische Fahrstrecken (plug-in Betrieb) sind 20-25 kWh/100 km vorzusehen.



Vereinfachungsmöglichkeit

Genügt der Antrieb einer Achse, so kann die Anordnung nach Bild 8 gewählt werden.


Bild 8: Anordnung für einen Einachsantrieb. Der Verbrennungsmotor treibt über das leistungsteilende Getriebe mechanisch ein Rad. Am anderen Ausgang des Planetengetriebes liegt der Generator, der das andere mit einem Elektromotor im Bedarfsfall mit Strom versorgt. (Die elektrischen Maschinen sind in ein Gehäuse zusammengefasst, so dass sich mit VMot und Getriebe ein zusammenhängendes Antriebsaggregat ergibt.) - Durch unterschiedliche Antriebskräfte an den Rädern entsteht ein Moment um die Hochachse. Das Lenkmoment daraus kann  durch einen negativen Lenkrollalbmesser und/oder negativen Sturz beseitigt werden. Die Schräglaufwinkel daraus sind klein. – Auch dabei können beliebig viele andere Räder elektrisch angetrieben werden.


Die Aufteilung der Antriebskraft erfolgt grundsätzlich so, dass der Verbrennungsmotor den Fahrwiderstand überwindet. Die Elektromotore übernehmen Beschleunigung und Steigung, also die kinetische und potentielle Energie. Die Leistung dafür kommt in erster Linie vom Verbrennungsmotor.



Die kinetische Energie beträgt pro 1000 kg (entsprechend einem Höhenunterschied)

km/h    Wh   (m)       km/h   Wh      (m)

30      10       4         130    181      66

50      27     10         150    241      88

80      69     25         180    347    127


(Um z.B. eine Masse von 1000 kg von 0 auf 130 km/h zu beschleunigen oder 66 m hoch zu heben sind 181 Wh = 0.181 kWh erforderlich.

Für einen PKW von      1 500 kg auf 130 km/h sind das   0.27 kWh,

für einen LKW  von      7 500 kg auf   85 km/h                 0.58

für einen Bus  von       20 000 kg auf   50 km/h                 0.54

für einen Bus  von       20 000 kg auf 100 km/h                 2.14

für einen Lastzug von 40 000 kg auf    85 km/h                 3.10 )


Die kinetische oder potenzielle Energie ist im Vergleich zur Energie für die Überwindung des Fahrwiderstands mal Fahrstrecke klein. Sie kann bei jeder zwangsweise folgenden Verzögerung oder Talfahrt abzüglich der Verluste wieder gewonnen werden.




BUS-Betrieb

Für den Betrieb eines Stadtbusses bietet der Hybridantrieb ideale Möglichkeiten, weil die kinetische Energie etwa gleich groß wie die Fahrwiderstandsarbeit ist, Bild 3. Erst bei einem Haltestellenabstand von 1500 m wäre die Widerstandsarbeit gleich groß wie die kinetische Energie bei 50 km/h.


Annahmen: m = 16 000 kg, fR = 0.006, cwA = 6 m², Bild 9

VMot: 120 Nm, 45 kW, EMot: 13.5 kN Zugkraft,  60 kW, 5 kWh nutzbare Batteriekapazität. - Die Annahmen sind bewusst knapp gehalten. Sie reichen nur für den Betrieb ohne Steigungen. Je nach Einsatzort sind höhere Leistungen vorzusehen, in erster Linie beim elektrischen Antrieb.



Bild 9: Stadtbus 16 t, cwA=6 m², VMot 120 Nm, 45 kW, EMot 13.5 kN, 60 kW

links: Kennfeld Verbrennungsmotor: Die Übersetzung i = 0.07 m ist so gewählt, dass die Betriebspunkt in der Nähe des besten Wirkungsgrades liegen. Genutzt werden ausschließlich die geringelt gezeichneten  Betriebspunkte.

rechts: Zugkraft, Fahrwiderstand und zugehörige Leistungen



Bild 10: Bus-Zyklus entsprechend Bild 8. In den ersten 6 Sekunden wird mit 1 m/s² (13.3+1.7 kN) beschleunigt, dann mit 60 kW (z.B. 45 kW vom VMot, 15 kW aus der Batterie oder je nach Ladung der Batterie in einem anderen Verhältnis) bis zum Erreichen von 50 km/h. Für die konstante Geschwindigkeit liefert der VMot 23 kW mit bestem Wirkungsgrad. Bei festgebremstem VMot verzögert der Bus mit 60 kW, die in der Batterie gespeichert werden. Wenn erforderlich wird der VMot gestartet (Strom für Dauerverbraucher, Laden der Batterie, Erzeugen von Druckluft und Klima). Wenn die elektrische Verzögerung nicht reicht, wird zusätzlich mechanisch gebremst. – Der  VMot mit 45 kW erscheint klein für ein Fahrzeug mit 16 t. Aber der durchschnittliche Leistungsbedarf eines Stadtbusses liegt bei 16 kW. - Für eine 16 t Bus ist die kinetische Energie bei 50 km/h  1543 kWs = 429 Wh. Der Fahrwiderstand bei 50 km/h ist W = 3200 + 6/1.6 * 13.9² = 3925 N, die Fahrwiderstandsarbeit für einen Haltestellenabstand von 200 m daher 1420 kWs =  392 Wh.


LKW-Zug 40 t

Annahmen: m = 40 000 kg, fR = 0.006, cwA = 10 m², Bild 11,

VMot: 1350 Nm, 300 kW, EMot: 80 kN Zugkraft, 400 kW,

Generator dem VMot entsprechend, 80 kg Batterie, 70 kW, 7 kWh



Bild 11: Antrieb für 40 t LKW: links: Motorkennfeld. Es werden ausschließlich die geringelt gezeichneten Betriebspunkte verwendet, die in der Nähe des bestmöglichen Wirkungsgrades liegen. – Der spezifische Verbrauch (gr/kWh) ist in die Kurven eingeschrieben. Am rechten Bildrand ist die Zugkraft des mechanischen Antriebs angegeben.  – rechts: Zugkraft und Leistung des elektrischen Antriebs Ze und Pe sowie Fahrwiderstands W und Widerstandsleistung Pw. Zusammen mit der mechanischen Zugkraft stehen 86 kN zur Verfügung, was eine Beschleunigung von 2.15 m/s² ermöglicht.



Bild 12: Kraftstoffverbrauch des Lastzuges mit 40 t. Zwischen 0 und 60 km/h wird elektrisch gefahren und die Batterie im Bestpunkt nachgeladen. Zwischen 60 und 87 km/h, dem wichtigsten Betriebsbereich,  reicht der mechanische Antrieb mit gutem Motorwirkungsgrad und geringen Übertragungsverlusten. Zusätzliche Zugkraft erfordert den Einsatz elektrischen Vortriebs. Die elektrische Leistung dafür liefert der Verbrennungsmotor über leistungsteilende Getriebe.


Auch für einen 40 t Zug beträgt die kinetische Energie bei 80 km/h 3.1 kWh. Sie entspricht einer potentiellen Energie von 27.8 m. Trotzdem ist eine dafür brauchbare Batterie schwer und teuer. Aber gerade für den LKW wäre die Zwischenspeicherung wichtig, weil schon ein Gefälle von mehr als 1.3 % zum Bremsen und damit zum Verlust von Energie führt, siehe Bild 1. – Es bieten sich zwei Lösungen an:

  1. Man wählt eine Batterie, die nicht den vollen Energiehub speichern kann. Damit gewinnt man einen Teil der Energie zurück und hat für die Stadt eine kleine Reichweite.
  2. oder man speist die Bremsenergie in ein (lokales) Netz. Weil an jeder Stelle des Straßennetzes etwa so viele LKW bergauf wie bergab fahren, ergibt sich ein „Gegenzug“, bei dem die bergab LKWs die auf der Gegenspur bergauf fahrenden hinauf ziehen.


Die Möglichkeit für kleine Höhen- und Geschwindigkeitsunterschiede die Batterie und für größere (Pässe) eine Oberleitung oder elektromagnetische Übertragung zu verwenden, reduziert den Leistungsbedarf auf die Überwindung der Fahrwiderstände bei horizontaler Fahrbahn und spart die großen Verluste durch Talfahrt ein. Sie ist sicher billiger und effektiver als lange Bahntunnel mit umständlicher LKW-Verladung. Die Zweckmäßigkeit solcher Tunnel ist damit sehr fragwürdig. Professor Dr. H.P. Lenz hat auf die Möglichkeit elektrischer Energiezufuhr im LKW-Verkehr schon am 30.5. 1989 im Vortrag  „Transit in Tirol: Technische Lösungsmöglichkeiten“ des Österreichischen Vereins für Kraftfahrzeugtechnik in Innsbruck hingewiesen. – Wenn im dicht befahrenen Straßennetz Steigungen mit mehr als 1.7 % mit einer Einrichtung zum Gegenzug ausgestattet sind, ergeben sich die In Bild 13 dargestellten Verhältnisse.



Bild 13:  Es ist die erforderliche Leistung am Motor abhängig von der Steigung für 80, 85 und 90 km/h dargestellt. - Bei 1.7 % Steigung reicht die angenommene Motorleistung  für  die erforderlichen 300 kW, der bergauf fahrende Zug fährt mit einem Verbrauch von etwa 90 L/100 km. Der bergab fahrende Gegenverkehr kann im leichten Schubbetrieb (20 kW) ohne Verbrauch bei Versorgung der Dauerverbrauche antriebslos Rollen. (Pv1=300 kW, Pv2=-20 kW) - Bei z.B. 3 %  kann der bergab fahrende Zug 143 kW ins Netz speisen, die den bergauf fahrenden Zug mit  einem Wirkungsgrad von 86 % (124 kW) eingespeist werden. Damit können beide Züge mit 85 km/h fahren. (Wenn der Wirkungsgrad der Übertragung nicht erreicht wird, kann der bergab fahrende Zug die fehlende Leistung verbrennungsmotorisch bringen.)


Der „Allradantrieb“ ermöglicht bei einem Lastzug z.B. den Antrieb von 4 von insgesamt 6 Achsen (kein Hängenbleiben bei glatter Fahrbahn).





Bild 13: LKW-Zug mit 80 t. oben: Seitenansicht. Von den 9 Achsen sind 5 10 t Achsen angetrieben. Die Achsen des Zugfahrzeugs haben je einen Verbrennungsmotor mit leistungsteilenden Getrieben und Generatoren, eine Achse des Aufliegers und 2 Achsen des Anhängers sind elektrisch getrieben. – Ohne Anhänger kann mit einem VMot gefahren werden. - 80 t Züge werden sich einführen, weil sie Straßenkapazität und Wirtschaftlichkeit erhöhen.


Zweirad

Annahmen; m=200 kg, cwA=0.4 m²

VMot: Zugkraft 400 N, 12 kW, EMot: 700 N Zugkraft, 6 kW

Batterie: 8 kg NaMH, 4 kW, 480 Wh

Auch dabei besteht die Möglichkeit die Vorteile des Hybridantriebs zu nutzen. Der Verbrennungsmotor treibt über ein leistungsteilendes Getriebe das Hinterrad und den Generator, der den Strom für das elektrisch getrieben Vorderrad liefert. Die Beschleunigung ist zwar eingeschränkt, was ein Sicherheitsmerkmal ist (kein unbeabsichtigtes Aufsteigen des Vorderrads). Die im Verkehr notwendigen Beschleunigungen und Steigungen können gut bewältigt werden. Es bleiben die Vorteile

a)      Kraftübertragung zum Hinterrad mit geringen Verlusten (kein Getriebe mit veränderlicher Übersetzung),

b)      stufenlos regelbare Geschwindigkeit und Antriebskraft durch das elektrisch getriebene Vorderrad,

c)      leiser, verbrauchsgünstiger, zum Teil emissionsfreier Betrieb in der Stadt (der Leistungsbedarf eines 200 kg schweren Motorrads bei 50 km/h ist 0.85 kW am Rad, der Fahrwiderstand 61 N. Für 10 km sind 170 Wh am Rad notwendig.)  Die kinetische Energie bei 50 km/h ist 5.4 Wh.

d)     Rückgewinn der Bremsenergie.

Hybridantrieb ohne elektrische Speicher

Elektrische Energiespeicherung ermöglicht zwar zahlreiche Möglichkeiten, die aber alle unter dem Nachteil des schlechten Wirkungsgrades leiden. Energie, die in die Batterie gespeichert wird, kann nur zu etwa 60 % regeneriert werden während die mechanischen Energien zu 100 % zur Verfügung stehen. Für kurze Strecken kann auch mit kinetischer Energie „hybrid“ gefahren werden:

a) Wenn an den Kreuzungen den Fahrzeugen Abstand zur nächsten Ampel, Beginn der Grünphase und Steigung/Gefälle dahin zugespielt werden, können die Fahrzeuge mit gutem Wirkungsgrad auf die Geschwindigkeit beschleunigen, mit der sie mit stehendem Motor, die nächste Kreuzung erreichen. Mit dieser Methode ergibt sich ein überraschend geringer Verbrauch. Es handelt sich um eine Fahrhilfe: der Fahrer hat jederzeit die Möglichkeit Einzugreifen, behält aber die Verantwortung.

b) Im Überlandverkehr kann mit Hilfe topografischer Information kraftstoffsparend gefahren werden: an Steigungen und Straßenstücken, die eine höhere Geschwindigkeit zulassen wird mit gutem Wirkungsgrad beschleunigt, bergab, vor Kurven oder langsamen Vorausverkehr wird mit abgestelltem Motor gerollt. Die Geschwindigkeit schwankt dabei z.B. um +/- 10 %. Auch dabei handelt es sich um eine Fahrhilfe. Die Verantwortung bleibt beim Fahrer. - Systeme bei denen der Fahrer die Verantwortung abgibt (wie beim Verladen seines Fahrzeugs auf die Bahn), sind wegen der Erhöhung der Straßenkapazität und Sicherheit anzustreben.



Literatur.:

  1. Hofmann, P.: Hybridfahrzeuge, 2010 Springer-Verlag/Wien
  2. Lenz, H.P.: Transit in Tirol – technische Lösungsmöglichkeiten, Vortrag im ÖVK, Innsbruck, 30.5.1989




Die Frage nach dem Antrieb ist die alles Entscheidende. Erst der leichte

Verbrennungsmotor mit dem Energiespeicher Benzin oder Diesel für große

Reichweiten hat zur Überlegenheit des Autos im Personen- und Güterverkehr und

zum Flugverkehr geführt. Noch ist nicht entschieden, was die Antriebsenergie sein

wird, wenn Erdöl und Erdgas zu teuer oder aus Umweltgründen aufgegeben werden.

Elektrotraktion bietet sich an, wenn auf langen Strecken Energie mechanisch (Obus-

Betrieb) oder magnetisch zugeführt wird. Dabei kann auch die Batterie

aufgeladen werden, die außerhalb der so versorgten Straßen notwenig ist (z.B. in der

Stadt oder auf untergeordneten Straßen). Auch kann Bremsenergie ins Netz gespeist

werden, was für den LKW-Betrieb außerordentlich günstig ist. Wahrscheinlicher ist

es, dass zumindest ein Teil des Kraftstoffbedarfs aus nachwachsenden  Pflanzen

genutzt wird (terrestrische Pflanzen oder Wasserpflanzen). Auf diesem Gebiet fehlt

ausreichend intensive Forschung. – Für den Flug- und Schiffsverkehr könnte sich

Wasserstoff oder Ammoniak (NH3 wegen der gegen H2 leichteren Verflüssigung)

einführen. Aber auch hier steht der Wunsch nach einem flüssigen, drucklosen

Kraftstoff im Vordergrund.


Alle Verkehrsmittel, also auch das Auto, verfügen über vier Energiespeicher:

  1. Kraftstoff,
  2. Batterie,
  3. potentielle und
  4. kinetische Energie.

(Weiter im Detail s. A III)


III.3.1  Hybridstrategien

Ein PKW braucht bei 50 km/h 3.2 kW, bei 130 km/h und 5 % Steigung aber bereits 52 kW am Rad. (Etwa 10 % mehr an der Motorwelle infolge der Übertragungsverluste.) Der große Leistungsunterschied legt es nahe, unterschiedliche Antriebe für kleine und große Leistungen zu verwenden. Zum Beispiel Elektroantrieb in der Stadt (kleine Leistung, kurze Entfernungen, emissionsfrei), den Verbrennungsmotor überland (große Leistung und Entfernung).


Für das Zusammenwirken von Verbrennungs- und Elektromotor gibt es eine Reihe

von Möglichkeiten:

  1. Antrieb verschiedener Achsen durch Verbrennungs- bzw Elektromotor (AUDI Duo 1992)
  2. Elektrischer Antrieb mit Range-Extender, einem Verbrennungsmotor mit Generator, der durch Nachladen die Reichweite vergrößert und auch elektrische Leistungsspitzen abdecken kann. Nachteilig ist, dass die gesamte erforderliche Leistung rein elektrisch erbracht werden muss und der Gesamtwirkungsgrad wegen des Umwehgs nicht besonders gut ist. (GM Chevy Volt und Opel Ampera sollen 2011 auch in Europa auf den Markt kommen. Flüssigkeitsgekühlte LiIon-Batterie mit 16 kWh + 1.4 Liter Benzinmotor, der bei Bedarf die Batterie auflädt. Elektrische Reichweite 40-80 km, mit Verbrennungsmotor 500 km, Höchstgeschwindigkeit 161 km/h. Der Verbrennungsmotor erhöht nicht nur die Reichweite auf brauchbare 500 km, er erspart auch das lästige Aufladen mit dem Kabel (plug-in). Lebensdauer, Wirkungsgrad und Preis der Batterie?)
  3. Serielle Anordnung: Verbrennungs- und Elektromotor treiben die gleiche Welle an, ihre Leistungen addieren sich. Bei entsprechender Ausbildung ersetzt der Elektromotor Schwungrad, Starter und Lichtmaschine. Wird zwischen den Motoren eine zweite Kupplung angeordnet, dann kann auch bei stehendem Verbrennungsmotor elektrisch gefahren werden (VW 1988). - Der Elektromotor hat bei kleiner Drehzahl ein hohes Drehmoment, also dort wo der Verbrennungsmotor noch gar keines hat. Die Motoren ergänzen sich. (Honda, Mercedes)
  4. Hybridantrieb mit Leistungsteilung: ein Planetengetriebe teilt die Leistung des Verbrennungsmotors auf die Antriebswelle und einen Generator auf, der seinerseits Antriebskraft liefert. Es fällt zwar eine große elektrische Leistung an, aber es kann das Stufengetriebe entfallen. (Toyota/Lexus Hybrid Synergy Drive)


Für das Rangieren und langsame dahinrollen ist nur eine Batterie mit einigen kW Leistung erforderlich. Zum Beschleunigen mit 2 m/s² bei 50 km/h sind aber bereits über 40 kW am Rad oder 60 kW an der Batterie erforderlich.  Zweckmäßigerweise wird man elektrisch anfahren, was noch wenig Leistungerfordert, dann verbrennungsmotorisch beschleunigen, dabei die Batterie nachladen und dann mit abgestelltem Motor elektrisch geregelt weiter rollen. Der ganze Prozess muss automatisch ablaufen, was auch die Wahl der richtigen Übersetzung betrifft. –

Der Verbrennungsmotor läuft so lange, bis ein ausreichender Ladezustand der Batterie (z.B. 80 %) erreicht ist. Beim Bremsen kann Energie zurück gewonnen werden, soweit die Batterie die anfallende Leistung speichern kann.

Strategie 1: Verbrennungsmotor deckt Fahrwiderstände und Verlustleistung, Batterie Beschleunigen und Steigung.

Das Beschleunigen von 0 auf 130 km/h erfordert für einen PKW mit 1500 kg eine

Energie von m v²/2= = 1500 (v/3.6)²/2 =  0.27 kWh, wegen der

Wirkungsgrade an der Batterie etwa 0.4 kWh. Ebensoviel Energie ist erforderlich um

eine Steigung zu überwinden, die das Auto um 65 m anhebt. Das ist schon von einer

relativ kleinen Batterie zu leisten, wenn sie die erforderliche Leistung erbringen

kann.. Nach der Beschleunigung oder dem Überwinden der Steigung kommt

zwangsläufig die Verzögerung oder Talfahrt, die den gleichen

Energiebetrag zurück bringt. Dieser wird in der Batterie gespeichert.


Strategie 2: Der Verbrennungsmotor deckt den anfallenden Energiebedarf. Sinkt talab

oder beim Verzögern die erforderliche Leistung unter ein bestimmtes Maß, wird

abhängig vom Ladezustand der Batterie, der Verbrennungsmotor still gesetzt und rein

elektrisch gefahren. Wird die Batterie zu leer (z.B. Ladezustand unter 20 %), springt

der Verbrennungsmotor wieder an und liefert Antrieb und Strom zum Laden der

Batterie. - Wird die Batterie zu voll, wird mechanisch gebremst.


Welche Strategie gewählt wird, hängt von den Umständen ab. Bei einer Passfahrt mit

einem Höhenunterschied von 1000 m ist mit Strategie 1 eine zu große Batterie

erforderlich. Es muss nach Strategie 2 gefahren und der Verlust durch mechanisches

Bremsen in Kauf genommen werden.


III.4  Allradhybrid (maximaler Übertragungswirkungsgrad)

Auf der Suche nach dem Antrieb mit minimalem Kraftstoffverbrauch bietet sich folgende Lösung an:


alt

Bild III.4.1: Auf der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 1 sitzt das Sonnenrad des

Planetengetriebes 2. Das Außenrad kämmt mit dem Ritzel des Generators 3, der

Planetenträger ist mit dem Antriebsrad 4 verbunden.


Der Verbrennungsmotor treibt ein leistungsteilendes Getriebe an, das sein

Drehmoment auf ein Antriebsrad und eine Generator abstützt. Wenn die Drehzahl des

Verbrennungsmotors, die infolge der Übersetzung etwa doppelt so groß wie die Drehzahl des

mechanisch getriebenen Rades ist, steht der Generator 3 still. Der Antrieb erfolgt rein

mechanisch mit kleinen Übertragungsverlusten.   Ist die Motordrehzahl

größer als die der Fahrgeschwindigkeit und Übersetzung entsprechende, wird der

Generator angetrieben und liefert elektrischen Strom für die anderen Räder. - Die

Übersetzung wird so gewählt, dass der Drehmomentbedarf nahe der

verbrauchsgünstigsten Betriebspunkte des Motors liegt, Bild III.4.2

 alt

Bild III.4.2:  Über der Winkelgeschwindigkeit om = pi*Drehzahl/30 ist das

Drehmoment eines TDI-Motors aufgetragen. 1 bezeichnet die Leistungsgrenze, die

Zahlen 2 geben den spezifischen Verbrauch bsp in gr/kWh an, 3 zeigt den

Drehmomentbedarf  eines Autos mit dem Fahrwiderstand W=150+0.6/1.6*(v/3.6)² (v

in km/h) bei der gewählten Übersetzung i = v/om = 0.21 m. Der Motor wird bis

om=250 1/s ausschließlich auf dieser Linie betrieben, auf der der Wirkungsrad

eta =100/bsp/0.012 % für die betreffende Leistung maximal ist. (0.012 kWh/gr ist die

Energie des Kraftstoffs. bsp=204 gr/kWh entsprechen einem Wirkungsgrad von 41

%.) Für die gewählte Übersetzung ist auch die Geschwindigkeit in m/s angegeben.

Der Winkelgeschwindigkeit om=240 1/s entspricht etwa eine Fahrgeschwindigkeit

von 50 m/s = 180 km/h. Bis zu dieser Geschwindigkeit kann das Auto rein

mechanisch mit sehr gutem Überztragungswirkungsgrad betrieben werden. Höhere

Geschwindigkeiten erfordern das Mitdrehen des Generators.


Gestartet wird der Motor über den Generator, Starter und Lichtmaschine entfallen.

Gibt der Fahrer Gas, dann erhöht sich das Antriebsmoment des mechanisch

getriebenen Rades und alle anderen Räder treiben mit Hilfe des vom Generator

gelieferten Stroms. So wird ein Allradantrieb ohne weitere Getriebe und

Wellen realisiert. Ist die gewünschte Geschwindigkeit erreicht, nimmt der Fahrer das

Gas soweit zurück, dass der Fahrwiderstand durch das mechanisch

getriebene Rad gedeckt wird. Es fließt kein elektrischer Strom (außer dem für die

elektrischen Verbraucher). Der Wirkungsgrad ist maximal, weil nur die eine, zur

Drehzahlanpassung erforderliche Übersetzung, erfolgt.  Beim Verzögern laden alle

Elektromotore die Batterie auf.


Damit sind folgende Vorteile erreicht:

  1. Bei horizontaler Fahrbahn und Windstille läuft der Verbrennungsmotor nahe dem verbrauchsgünstigsten Betriebspunkt.
  2. Er überträgt seine Leistung mit nur einem Zahneingriff .(Etwa 98 % Wirkungsgrad gegen 90 % mit Getriebe, Wellen und Ausgleichsgetrieben.)
  3. Es entfallen Lichtmaschine, Starter, Übersetzungsgetriebe, Antriebswellen, die schwer, teuer und kraftzehrend sind..


Der Toyota Synergy Drive arbeitet ähnlich, braucht aber zusätzliche Getriebe, Wellen

und Ausgleichsgetriebe für  einen Allradantrieb.

Bei ungleichen Antriebskräften in verschiedenen Spuren entsteht ein Giermoment um

die Hochachse, das durch Ringriff in die Servolenkung beseitigt wird.

alt


Der Allradhybrid kann auch mit Vorteil für den LKW-Zug verwendet werden, Bild

III.4.2

 alt


Bild III.4.3: Allradhybrid für einen 40 t-Zug (oben) und einen 80 t-Zug . Die

Verbrennungsmotoren treiben mechanisch je ein Rad, die anderen Räder werden

elektrisch über den von den Generatoren erzeugten Strom getrieben. Von den 5

Achsen des 40 t-Zugs sind  3, von den 9 Achsen des 80 t-Zugs 6 angetrieben. Damit

wird das häufige Steckenbleiben bei glatter Fahrbahn vermieden. – Ein

Stromabnehmer kann den Zug nach obus-art elektrisch mit Strom versorgen und

bei Bergauffahrt damit eine Verbindung zu Zügen herstellen, die bergab fahren; und

Umgekehrt (Gegenzug).


Es entfällt das sehr teure Vielganggetriebe zugunsten eines stufenlosen

Antriebs auf mehrere Räder,  Bild III.4.4


alt


Bild III.4.4: In den 80 t-Zug können 2 Verbrennungsmotore (auch ungleicher

Leistung) eingebaut werden. Bei Teilladung kann dann verbrauchsgünstig mit nur

einem Motor gefahren werden.



III.5  Gegenzug

Beim LKW nimmt der Leistungsbedarf bei Steigungen rasch zu (Kriechspur), s. Bild

A III. In der anschließenden Talfahrt wird die für eine Batterie viel zu große

Bremsleistung in Wärme umgesetzt und geht daher verloren.  Weil aber in

Gegenrichtung etwa gleich viele LKWs fahren, kann die Bremsleistung der

talfahrenden Züge über eine Obusleitung den bergfahrenden zugeführt werden. Der

Leistungsbedarf geht für den Verbrennungsmotor drastisch zurück, die sonst verloren

gehende Bremsenergie wird genutzt. Es kann eine kleinere Anlage gewählt werden,

z.B. mit 200 kW, die für den Verkehr in der Stadt oder für untergeordnete Straßen

reicht. Natürlich wird man zuerst Passtrassen mit dem Obus-Netz ausrüsten, aber eine

nennenswerte  Kraftstoffeinsparung tritt auch schon bei Steigungen von unter 5 %

ein. Andererseits wird die Einsparung an Energie und Fahrzeugausrüstung gerade

auch bei den zu erwartenden 80 t Zügen prominent sein. - Solange nicht alle LKW

eine entsprechende Ausrüstung haben, können sie von ausgerüsteten Zugfahrzeugen

über die Pässe gezogen werden, wie das H.P.Lenz schon 1989 vorgeschlagen hat.

(Anteil der verkehrsbedingten Emissionen an der Gesamtemission, Vortrag in

Innsbruck anlässlich der Brennerdiskussion.) Der Antrieb in Anhängern wurde schon

von Ferdinand Porsche (etwa 1913) im Landwehrzug, der elektrische Allradantrieb

noch davor, verwirklicht.


III.5  Elektrotraktion

Der Antrieb des Autos hat vom Dampfmotor (ab1800) über den Elektromotor (1860)

zum Verbrennungsmotor (1896) geführt. Der Dampfmotor muss vorgeheizt werden

und hat einen schlechten Wirkungsgrad, der Elektromotor ist zwar sofort verfügbar

und hat ein hohes Anfahrmoment, leidet aber an der schweren Batterie. Gegenüber

dem Kraftstoff ist die Batterie etwa 100 mal so schwer.


Bei der Berechnung der Reichweite ist der Energiebedarf von allen Verbrauchern zu

berücksichtigen. Scheiben und Fahrzeuginneres müssen beheizt werden, was der

Verbrennungsmotor mit seiner Abwärme besorgt (Kraft-/Wärmekopplung).

Besonders bei kleinen Geschwindigkeiten wie im Innenstadtverkehr fällt der

Energiebedarf für Licht, Radio, Navigation, Heizung (Scheiben, Sitz, Innenraum) und

Kühlung ins Gewicht, Bild….. Bei Angaben für Elektroautos wird oft die Reichweite

bei kleiner Geschwindigkeit ohne Nebenverbraucher und die Höchstgeschwindigkeit

ohne Berücksichtigung der dann kleineren Reichweite genannt.

Elektroautos sind sehr angenehm zu fahren. Leise und ohne Schaltpausen

beschleunigen sie auf hohe Geschwindigkeiten. Nachteilig ist die geringe Reichweite,

schwere und teure Batterie und das Nachladen, wozu man einen Parkplatz und

Stromanschluss braucht. In der eigenen Garage muss zunächst noch das immer

schmutzige Kabel gehandhabt werden, doch ist eine völlige Automatisierung des

Stromanschlusses denkbar. Ob insgesamt eine Energieeinsparung oder

Emissionsverringerung erreicht wird, hängt von den Umständen ab. Wenn eine Wind-

oder Photovoltaikanlage und ausreichende Stromspeicher an der Garage vorhanden

sind, ist ein geschlossener Kreislauf vorstellbar.


Kommt das Elektroauto?

Ja, natürlich! Es ist ja schon da, schon seit 125 Jahren, länger als das Benzinauto. Vor 100

Jahren gab es in NewYork sogar mehr Elektro- als Benzinautos. Denn das Starten eines

Benzinautos war eine sportliche Angelegenheit: mit einem Ruck musste die Kurbelwelle über

den Totpunkt gedreht werden. Und mancher geprellte Daumen und manches angeschlagene

Knie war zu verzeichnen, wenn die Zündung nicht auf „Spät“ gestellt war. Ausgerechnet eine

„elektrische Erfindung“ beendete dann die Vorherrschaft des Elektroautos: der elektrische

Starter, 1913.


Seither ist der Anteil der Elektroautos immer weiter gesunken, weit unter

1 %, und es bleibt die Frage, ob dieser Prozentsatz je wieder überschritten wird. Die Komfortfrage steht weiter im Vordergrund. Mit dem Elektroauto muss man täglich an den „Stecker“, aber wir sind inzwischen gewohnt, einige 100 Kilometer mit einmal Tanken zu fahren. Und die Frage, ob eine Kilowattstunde mehr oder weniger kostet als 0.1 Liter Kraftstoff, ist auch noch offen.


Technisch sind die Probleme des Elektroautos gelöst. Es ist ein Vergnügen, mit einem

leistungsstarken, leisen Elektroauto zu fahren, das keine Schaltpausen braucht. Aber das

Vergnügen dauernd nicht lange, denn die Batterien sind auf den Energieinhalt bezogen noch

immer 100 mal so schwer wie Benzin oder Diesel. Die Batterien werden zwar fortwährend

leichter (und teurer), aber den Energieinhalt des Kraftstoffs können sie nie erreichen: der

Verbrennungsmotor arbeitet nämlich mit dem Trick, dass der schwerere Teil des

Energieumsatzes, der Sauerstoff, der Luft entnommen und das Abgas dorthin wieder

abgegeben wird. Die Batterie muss beide chemischen Bestandteile mit sich führen. Und wenn

sie leicht sein soll, müssen es giftige und aggressive chemische Elemente sein wie Blei,

Natrium, Nickel, Fluor., Chlor oder Brom.


Trotzdem gewinnt die Elektrik im Auto immer mehr an  Bedeutung. Die Datenverarbeitung

von Navigation bis Fahrhilfe schreitet voran und die elektrische Kraftübertragung bietet neue

Möglichkeiten Energie zu sparen. Elektrische Kraftübertragung vom Verbrennungsmotor,

einer Obusleitung oder einer Stromschiene eröffnen nicht nur die Möglichkeit Kraftstoff zu

sparen, sondern auch die kurzen Strecken in der Stadt aus der Batterie zu decken während

Langstrecken von der Stromzuführung überwunden werden. Dabei lädt sich auch

gleich die Batterie auf.


Aber auch das ist nur eine Möglichkeit. Es bleibt nämlich die Frage, ob elektrische Energie

billiger als Kraftstoff  aus nachwachsenden Pflanzen ist. Alkoholkraftstoff kostet heute in

Brasilien nur 3 US Cent je kWh, kaum 30 Cent je Liter. – Aber wie immer ist so eine Frage

nicht mit schwarz/weiß sondern mit sowohl als auch zu beantworten. Vielleicht ist es so, dass

die meisten PKW mit dem bequemen flüssigen Kraftstoff fahren, während die LKWs an die

mechanische Stromzuführung gehen. Sie stellen dann eine ideale Synthese zwischen der

flächendeckenden, fahrplanlosen Versorgung ohne Umladen des heutigen LKW

und den Vorzügen des Bahnverkehrs dar. Das teure Auf- und Abladen der LKW-Züge auf die

Bahn und der teure Brennerbasistunnel könnten sich dann als Fehlinvestition erweisen.


III.4 Automatisierung des Straßenverkehrs

Der Mensch ist der überlegene Alleskönner auch im Verkehr. Er hat auch die Verantwortung zu tragen. Fahrhilfen sind angebracht, sie entlasten den Fahrer aber nicht wirklich solange er in der Verantwortung bleibt.

III.4.1  Automatisierung im Stadtverkehr

Die Grüne Welle ist eine Möglichkeit, Verbrauch zu sparen und die Kapazität der Straße zu erhöhen. In der Praxis scheitert die Grüne Welle daran, dass die Autofahrer nicht wissen können, was die richtige Geschwindigkeit ist. Diese hängt nämlich vom Abstand der Kreuzungen zueinander und von der Position des Fahrzeugs in der Welle ab. Man kann die richtige Fahrgeschwindigkeit also anzeigen, wie das in der Wolfsburger Welle über viele Jahre lang getan wurde. Besser ist es, die ohnehin vorhandenen Einrichtungen des Fahrzeugs zu nutzen und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs automatisch regeln zu lassen. Im Vollausbau sieht dann die Grüne Welle folgendermaßen aus:

Den Fahrzeugen wird von der Verkehrsampel zugespielt wie weit es zur nächsten Ampel ist, wann diese auf grün schaltet und ob es dahin bergauf oder bergab geht. Aus diesen Daten errechnet der Bordcomputer die notwendige Geschwindigkeit auf die das Fahrzeug zu beschleunigen ist um gerade beim Grünwerden der Ampel an der nächsten Kreuzung mit abgestelltem Motor anzukommen. Der Fahrer muss nichts weiter tun als die Automatik einzuschalten und auf den übrigen Verkehr zu achten. Wenn noch andere Fahrzeuge in der Welle sind, hält ein Folgefahrzeug den richtigen Abstand und kommt hinter dem Führungsfahrzeug zum richtigen Zeitpunkt an. Sind zu viele Fahrzeuge in einer Welle, wird das zugespielt und der Bordcomputer führt das Fahrzeug mit der dann kleiner Geschwindigkeit. Der Verbrauch in der Grünen Welle sinkt so für einen PKW auf unter drei Liter pro 100 km.

Weil so ein System zweckmäßig nur kontinentweit eingeführt werden kann, muss sich die Verkehrsforschung der EU (gibt es die eigentlich?) darum kümmern, Forschungsaufträge mit entsprechender Zielsetzung vergeben. Oder will auch die EU die herrschende Unordnung im Verkehr weiterführen, Milliarden Euro pro Jahr vergeuden und zusehen, wie wir im Vergleich zu modernen Staaten ins Hintertreffen kommen?

III.4.2 Automatisierung im Überlandverkehr

Hier ist ein System zu fordern, bei dem die Verantwortung für die Fahrzeugführung ins System übergeht. Ähnlich wie beim Verladen auf die Bahn. Technisch ist auch diese Aufgabe relativ einfach zu lösen.

III.4.2.1 TRAIN, eine automatische Fahrzeugführung für LKW

Der Verkehr nimmt mit der Wirtschaftsleistung immer weiter zu. Der Ausbau des Straßennetzes bleibt immer mehr zurück. Nicht nur wegen fehlender Mittel, sondern auch wegen der Schwierigkeit, neue Trassen gegen den Widerstand von Bürgerinitiativen zu bauen. - Auf manchen Autobahnabschnitten bilden LKW-Züge endlose Kolonnen. Wenn die LKWs den kleinstmöglichen Abstand voneinander halten, ist eine Zu- oder Abfahrt anderer Verkehrsteilnehmer bei Einhalten der Abstandvorschriften nicht mehr möglich. Die Fahrzeuge  müssen sich einfach zwischen die LKWs drängen, wenn sie die Autobahn verlassen auf aus sie auffahren wollen. Ein Zustand, der das Nichtbeachten sinnvoller Vorschriften  herausfordert und zu mehr Unfällen führt.

Aber auch für die LKW-Fahrer ist der Zustand unbefriedigend. Sie müssen stundenlang hinter einem anderen LKW herfahren, nur darauf achtend, dass ihr Fahrzeug in der Spur bleibt. (Die Geschwindigkeit wird in der EU automatisch auf 85 km/h begrenzt. Der Fahrer muss nur Vollgas geben.) Eine unwürdige, die Fähigkeiten des Menschen kaum fordernde Aufgabe, die infolgedessen zu einer steigenden Zahl von Unfällen durch Einschlafen führt.

Dabei ist die Lösung des Problems einfach und billig. In die Mitte der LKW-Fahrspur wird ein Führungskabel verlegt, der die Fahrzeuge automatisch in Fahrbahnmitte hält. Die Fahrzeuge sind außerdem mit einem am Markt befindlichen Abstandhalter (z.B. ACC) auszurüsten und mit einem weiteren System, das mit Vorder- und Hintermann Datenverkehr ermöglicht. Der Fahrer bringt konventionell seine  Lkw auf die betreffende Spur und verlangt die Aufnahme der automatischen Fahrzeugführung. Der LKW folgt durch elektronischen Eingriff in die Servolenkung dem Führungskabel und beschleunigt auf etwa 87  km/h.  Damit holt er die voraus fahrende LKW-Kolonne ein. Vom Datenaustausch gesteuert dockt der LKW an den Vordermann an, nähert sich zum Beispiel  auf 1 m Abstand und hält diesen Abstand weil er gleichzeitig mit dem Vordermann bremst oder beschleunigt. Der Datenverbund ersetzt Zughaken und Puffer eines Eisenbahnzugs. Der Fahrer hat damit die Verantwortung für die Führung des Fahrzeugs abgegeben, genau so wie er das macht, wenn er auf die Bahn verlädt. Er kann nun mit seiner Leitstelle kommunizieren, Abrechnungen machen oder seine Arbeitszeit unterbrechen: fernsehen oder schlafen. Bei einer Störung (platter Reifen, Überhitzung usw) wird er aufmerksam gemacht. Er kann sich aus dem Verband lösen, die Fahrzeugführung übernehmen und in konventioneller Weise das Problem lösen. Auch bei der Annäherung an die eingegebene Abfahrtstelle wird er aufmerksam gemacht.

Im Normalfall fährt er aber in der LKW-Kolonne mit folgenden Vorteilen:

  1. Der Abstand zwischen den LKW-Zügen beträgt 1m statt der 40 m nach Vorschrift. Die Kapazität der Fahrspur nimmt  entsprechend zu.
  2. Durch das enge Hintereinanderfahren sinken Luftwiderstand, Verbrauch und Emission,
  3. nach einer bestimmten Anzahl von LKW-Zügen (z.B.10) wir eine größerer Abstand gehalten, der es den anderen Verkehrsteilnehmern ermöglicht die Straße zu verlassen oder auf sie aufzufahren,
  4. die Sicherheit wird beträchtlich erhöht, weil Computer bei ausreichender Redundanz weit weniger Fehler als Menschen machen,
  5. eine mechanische Zuführung elektrischer Energie wird möglich (Obus-Betrieb)

III.4.2.2 CONVOY automatische Fahrzeugführung für PKW

Die Freude an der Führung eines Fahrzeugs geht verloren, wenn man häufig die gleiche Strecke zu fahren hat. Die Aufmerksamkeit erlahmt wegen des oft eintönigen Bildes, die Unfallgefahr steigt entsprechend. Viele Fahrer wünschen dann ein System herbei, das sie ohne eigenes Zutun sicher ans Ziel bringt. Wesentlich ist dabei, dass die Verantwortung für die sichere Führung des Fahrzeugs ins System übergeht, ähnlich wie beim Verladen auf einen Bahnwaggon. Ein solches System kann unter Verwendung gängiger, weitverbreiteter Technik eingeführt werden.

Auf den Betreiber der Straße kommt nur die Aufgabe zu, in die Mitte der linken Fahrspur ein Führungskabel zu verlegen. Die Straßenverkehrsordnung muss dahin geändert werden, dass die am System CONVOY teilnehmenden Fahrzeuge besonders gekennzeichnet sind und rechts überholt werden dürfen. Die Fahrzeuge müssen neben der oft vorhandenen Ausrüstung für Geschwindigkeitsregelung und Abstandhalten mit einer Einrichtung vorn und hinten ausgerüstet sein, die auf kurze Entfernung Daten übertragen kann (blue-tooth) sowie einen Spurenleser, der durch Eingriff in die Lenkung das Fahrzeug „am Kabel“ in der Spurmitte hält.  Der Fahrer eines so ausgerüsteten Fahrzeugs der CONVOY benutzen möchte bringt sein Fahrzeug auf die linke Spur und gibt seinen Wunsch zu erkennen. Das Fahrzeug überprüft die erforderlichen Gegebenheiten und quittiert den Wunsch. Es hält nun automatisch die Spur und fährt mit z.B. 125 km/h auf die davor mit 120 km/h fahrende Kolonne auf. Es dockt an, das heißt: nähert sich dem Vordermann auf 0.5 m und übernimmt autonom die Fahrzeugführung. Es bildet mit Vorder- und Hintermann einen Zug, in dem alle Fahrzeuge zugleich bremsen oder beschleunigen. Der Fahrer ist völlig entlastet, kann arbeiten, schlafen, fernsehen oder was auch immer machen. Er wird aufmerksam gemacht, wenn sich das Fahrzeug der eingegebenen Ausfahrt nähert oder ein anderes Ereignis sein Eingreifen erforderlich macht (Kraftstoff gedht zur Neige, Reifen platt, Überhitzung). In diesem Fall gibt er zu erkennen, dass er die Fahrzeugführung übernehmen will. Das Fahrzeug stellt zum Vorder- und Hintermann einen Abstand von 60 m her und fordert den Fahrer auf, die Führung zu übernehmen. Das tut er, lenkt unter Beachtung der üblichen Vorschriften auf eine andere Spur oder die Ausfahrt.

Die Teilnahme am System CONVOY  ist freiwillig. Alle anderen Fahrzeuge können alle Fahrspuren benutzen, was die Einführung erleichtert. Die im CONVOY fahrenden Fahrzeuge haben folgende Vorteile:

1, Infolge des engen Abstands zwischen den Fahrzeugen sinkt der Luftwiderstand um etwa            ein Drittel. Damit auch der Verbrauch und die Gas- und Geräuschemission.

2. Die Spurkapazität vervielfacht sich, weil statt eines Abstands von 60 m nur 0.5 m erforderlich sind

3. der Fahrer wird völlig entlastet

4.die Sicherheit nimmt beträchtlich zu, weil die Elektronik mit einer weit höheren Zuverlässigkeit arbeitet als der Mensch,

5.die mechanische Zufuhr elektrischer Energie wird möglich.

Vor der Einführung eines solchen Systems ist eine detaillierte Erprobung erforderlich, die zu Veränderungen und Verbesserungen führen wird. Die Vorteile sind bestechend. Es ist nicht die Frage, ob ein solches System eingeführt wird sondern wer es zuerst tut. Dieses Land wird gegenüber seinen Konkurrenten erhebliche Vorteile haben.


Die in den letzten 50 Jahren erreichten Fortschritte am Fahrzeug bezüglich Wirtschaftlichkeit (Verbrauch, Wartungsarmut, Haltbarkeit), Sicherheit (Stabilitätsprogramm, Blockierschutz, crash-management, Rückhalteeinrichtungen) und Bequemlichkeit (Servoeinrichtungen, Klimaanlagen, Schließsysteme) sind beachtlich. Der Vorwurf dauernder Gewichtserhöhung trifft nur, wenn man auf die dafür eingeführten Vorteile (Sicherheit, Bequemlichkeit) verzichten will. Auch werden immer leichte und kleine Autos angeboten, Zweisitzer, die eigentlich Einsitzer sind, wenn man Gepäck mitnehmen will. Auch der Vorwurf, dass noch immer der alte Hubkolbenmotor in Gebrauch sei, ist kindisch. Schließlich atmen wir auch immer noch ein und aus. Trotzdem ist das Auto noch lange nicht am Ende seiner Entwicklung angekommen. Leichtere und festere Werkstoffe und neue Konstruktionsprinzipe werden dem Mehrgewicht infolge immer mehr Komfort und Sicherheit entgegenwirken. Der Kraftstoffverbrauch wird sich noch einmal halbieren. Viele Möglichkeiten sind bereits an Forschungsprojekten vorgestellt, z.B. Experimental Safety Vehicles (ESV). Unvollkommen erscheint mir die mangelnde Bequemlichkeit beim Anlegen des Sicherheitsgurts und die mangelnde Kompatibilität, der Sicherheit verschieden schwerer Fahrzeuge im Vergleich zu einander. Auch dafür sind Vorschläge bekannt.

Der gängige Vergleich Sicherheit (=Personenkilometer je Verkehrstoten) zwischen Bahn und Auto hinkt: im Straßenverkehr werden alle Opfer erfasst, bei der Bahn nur die "Reisenden". Auch muss der Bahnverkehr mit dem Autobahnverkehr verglichen werden, der viel sicherer als der innerstädtische Verkehr und Verkehr auf Landstraßen ist.

Das Auto ist das meist geschmähte Kulturgut. Manche glauben sogar, ohne Auto auskommen zu können. Sie vergessen, dass sie schon ein Auto aus der Gebärklinik geholt hat und ein Auto ihren Leichnam zum Friedhof bringen wird. Und zwischendurch das Auto ihnen das tägliche Brot bringt und ihren Müll entsorgt. Und Feuerwehr, Notarzt und Rettung jederzeit bereit sind für sie auszufahren,

III.5 Das Auto der Zukunft

Jeder Ingenieur der mit Auto oder Verkehr zu tun hat, wird immer wieder gefragt, wie das Auto der Zukunft aussehen wird. Ich habe diese Frage immer so beantwortet: Es muss so groß sein, dass Menschen hineinpassen. Eine Familie hat 4 Köpfe, ein Paar mit einem befreundeten Paar ergibt auch 4Köpfe. Also muss ein Auto normalerweise vier Sitzplätze haben. Wenn ein Paar allein reisen will, genügt ein Zweisitzer mit Kofferraum, ein Sportkabrio zum Beispiel. Puristen, die allein oder mit einem möglichst leichten Auto unterwegs sein wollen, empfiehlt sich ein sogenannter Stadtwagen, der zwar 2 Sitzplätze aber keinen Kofferraum hat. Stellt er sein Gepäck auf den Beifahrersitz, dann hat er den Einsitzer, den er sich wünscht. Viele beklagen auch, dass die Autos viel zu schwer seien. Aber es gibt genug leichte im Angebot, nur werden sie kaum gekauft (" 3 Liter Auto"). - Früher habe ich auch gemeint, das Auto der Zukunft werde 4 Räder an den Ecken haben. Aber da bin ich mir nicht mehr so sicher. Eigentlich stören die Räder an den Ecken die Zugänglichkeit. Einfacher ist es, eine Achse unter der Sitzbank anzuordnen.

MONAX Einachsfahrzeug mit Elektroantrieb

Software ist billig und leicht, hardware teuer und schwer.

Die vier Räder an den Ecken eines Fahrzeugs versperren den Zugang zum Fahrzeug.

Einfacher ist es, eine Achse unter den Sitzen der Insassen anzuordnen. Damit ist

  1. die Zugänglichkeit besser,
  2. es entfallen zwei Räder, die Lenkung, Bremsen,
  3. das Rangieren des Fahrzeugs wird besser und einfacher; vorwärts in die Parklücke, dort drehen um 90° zum Aussteigen, wieder um 90 ° in die gleiche Richtung zum Herausfahren aus der Parklücke (diese ist 2 m lang).

Die Ansteuerung der beiden Radmotoren sorgt für Beschleunigen, Bremsen, Lenken und Stabilität. Zum Parken werden zwei leichte Stützen ausgefahren. – Die Technik ist billig und einfach wie es das Segway beweist.

Der Antrieb besteht z.B. aus zwei Elektromotoren (je  3 kW Dauerleistung, je 9 kW Kurzzeit-Leistung), einer 40kg schweren Bleibatterie (2 kWh, billig und bewährt), einem 3.5 kW Verbrennungsmotor als range-extender mit 30 l = 270 kWh Kraftstofftank. Verbrauch bei 70 km/h etwa 3 l Benzin auf 100 km. Die Dauergeschwindigkeit beträgt  70   km/h, die Reichweite über 500 km. Kurzzeitig werden mit 18 kW über 100 km/h erreicht. Die Steigfähigkeit beträgt 30 %, die Beschleunigung von 0 auf 50 km/h  5 Sekunden. (Der Verbrennungsmotor läuft bei Bedarf im günstigsten Betriebspunkt. Fehlende Leistung für Steigung oder überholen wird elektrisch gedeckt, Überschussleistung in der Batterie gespeichert.)

Das Fahrzeug ist 500 kg schwer, hat eine Zuladung von 160 kg. Billig infolge kleiner Masse und Entfall teurer Bauteile wie Getriebe, Lenkung, eine Achse. Bequem zum Einsteigen, gute Sicht.


alt

MONAX Einachsfahrzeug in den Phasen Beschleunigen mit 3 m/s², konstante Geschwindigkeit und Bremsen mit 3 m/s². Der eingezeichnete Schwerpunkt liegt wie bei Fußgänger beim Beschleunigen vor der Aufstandsfläche, beim Bremsen dahinter. Für ie 2 bis 3 Insassen ist die resultierende Beschleunigung immer senkrecht zur Sitzfläche gerichtet. Der tief und weit hinten liegende Schwerpunkt folgt aus der Lagerung der Batterie unter der Sitzbank und der Verbrennungsmotors und Generators im Heck. Die beiden Elektromotore liegen in den Rädern (Radnabenantrieb). Sie sorgen wie beim Segway für Stabilität, Antrieb und Lenkung.


ANHANG III


altBild 3.1: Treibendes Holz hat sicher früh dazu geführt, so auch Lasten zu transportieren. Hochseegängige Schiffe gab es erst seit der Besiedlung Australiens.

alt


Bild 3.2: In Deutschland werden 2002 fast 90 % der Personenkilometer auf der Straße zurückgelegt, im Güterverkehr 70 %. www.Verkehr.wikipedia

alt

Bild 3.3: In Deutschland werden 2006 fast 84 % der im Straßenverkehr erforderlichen Energie fossil gedeckt. Der Anteil des elektrischen Stroms liegt bei 3 %. www.Verkehr.wikipedia

alt

Bild 3.4: Die Zahl der Personenkilometer pro Jahr nimmt mit der Wirtschaftsleistung in allen Bevölkerungsgruppen zu.


Die Verkehrsleistung, gemessen in Personenkilometer- bzw Tonnenkilometer pro Jahr, nimmt mit der Wirtschaftsleistung zu. Dabei ist man bemüht die nachteiligen Folgen Verkehrsopfer, Verbrauch, Emission von Schadstoffen und Geräusch zu mildern. Die dabei erzielten Fortschritte werden aber oft durch die Zunahme des Verkehrs zunichte gemacht.



Verkehrswirtschaft

Durch die Errichtung von Straßen, Brücken, Tunnel, Parkplätze, Straßenschilder und Überwachung entstehen hohe Kosten, die auf die Nutzer gerecht verteilt werden müssen. Lange wurde Maut und Zoll vor Ort erhoben. Die Donaubrücken bei Wien z.B. wurden bis ins 19. Jahrhundert von Privaten errichtet und bemautet. Die Bemautung besonderer Strecken ist heute noch üblich (z.B. Brenner). Der Deutsche Zollverein (Friedrich List, 1834) hat die durch wiederholte Kontrolle Behinderung des Verkehrs beendet. (Zwischen Königsberg und Köln wurden Waren 80 mal kontrolliert.) Er war für Handel und Verkehr der wesentliche Befreiungsschlag.

alt

Bild 3.5: Zollverein 1834 bis 1919

Damit ist allerdings auch die gerechte Zuteilung der Kosten verloren gegangen. Die Verkehrswege werden heute im Wesentlichen direkt oder indirekt von Aufschlägen auf den Kraftstoffpreis errichtet und erhalten. Diese Einnahmen fließen dem Wirtschaftsraum zu, wo getankt wird. Infolge der großen Reichweite kann ein Fahrzeug die ganze EU durchqueren obwohl es außerhalb betankt wird. Den Städten entgehen diese Einnahmen, obwohl gerade in der Stadt die Verkehrswege besonders teuer sind.

Eine gerechte Zuteilung von Kosten und Erträgen ist nur zu erreichen, wenn am Ort der Nutzung das Entgelt erreichtet wird. Mit der zur Verfügung stehenden Technik ist das ohne Aufenthalt und mit geringen Kosten zu verwirklichen. Damit erfolgt auch die richtige Zuteilung der Versicherungssummen auf Viel- und Wenigfahrer.


III  Verkehrssicherheit

Aktive Sicherheit

Infolge der bewegten Massen birgt der Verkehr die Gefahr von Schäden an Menschen und Sachen. Früher war es die Gefahr des „Überfahrenwerdens“ (harte Räder, Pferdehufe), heute ist es die Geschwindigkeitsänderung im Unfallstoß. Die Maßnahmen richten sich auf die Verhinderung des Zusammenstosses (aktive Sicherheit), der Milderung der Folgen (passive Sicherheit) und der Versorgung der Unfallopfer.

Aktive Sicherheit

Dazu zählen alle Maßnamen die Zusammenstöße mit Hindernissen aller Art verhindern (Gegenstände am Straßenrand, anderen Verkehrsteilnehmern), also Fahrbahnen mit führender Markierung (Straßenrand, Fahrbahnmitte, Verkehrszeichen, Informationen). Der schwache Punkt der Ursachenkette ist der Mensch, der durch Fehleinschätzung, Achtlosigkeit, Sekundenschlaf oder Fehlbedienung mit einem Hindernis zusammenstößt. Fahrhilfen sollen Fehlverhalten ausschließen, die automatische Fahrzeugführung kann es .

Passive Sicherheit

wird die Verringerung der Unfallfolgen genannt. Im Prinzip geht es dabei darum, die beim Unfallstoß frei werdende kinetische Energie so unzusetzen, dass keine Verletzungen entstehen. Rückhalteeinrichtungen  (Gurt, airbag) übertragen Energie auf das Fahrzeug und verhindern den harten Aufschlag auf die Innenwand.

Versorgung der Unfallopfer

Durch den Einsatz von Notarztwagen und Hubschraubern mit dem dazu gehörenden Informationsnetzwerk wird die Zahl der Verkehrstoten auf Dauer Geschädigten stark reduziert.(Björn Steiger Stiftung, Autofahrerclubs).


Statistik

Trotz steigender Verkehrsleistung nimmt die Zahl der Todesopfer je Einwohner ab.

Bei einem Vergleich der Sicherheit der Verkehrsträger ist die Ermittlung und der Art zu Berücksichtigen. Flugzeug und Bahn sind mit der Sicherheit auf Autobahnen zu vergleichen, wo in D die Sicherheit über 200 Mio Personenkilometer liegt. Bei der Bahn werden nur getötete Reisende gezählt.

alt

Bild 3.6: Die Zahl der Verkehrsopfer hat in Deutschland seit 1970 von 20 000 auf 5 000 pro Jahr abgenommen (links) obwohl die Verkehrsleistung von 240 auf über 600 Mrd Fahrzeugkilometer pro Jahr gestiegen ist (mitte). Die daraus errechnete Sicherheit ist von 12 auf über 70 Mio km je Verkehrstoten gestiegen. (Die Unstetigkeit im Jahr 1990 ist durch die deutsche Wiedervereinigung verursacht.)

alt

Bild 3.7: Die Zahl der Verkehrsopfer in der EU auf die Einwohnerzahl bezogen nimmt mit steigender Wirtschaftsleistung ab obwohl die Verkehrsleistung dabei zunimmt.


alt

Bild A 3.1: Sicherheitsauto ESVW 1972

Zur Verbesserung der passiven Sicherheit gibt es noch zahlreiche, nicht ausgeschöpfte Möglichkeiten:

  1. Der vordere Stoßfänger fährt bei Geschwindigkeit über 50 km/h um 0.5 m aus und vergrößert damit die Verzögerungsstrecke.
  2. Die Vordersitze sind fest eingebaut und ermöglichen dadurch eine Querabstützung der Fahrzeugseiten gegeneinander.
  3. Sicherheitsgurte legen sich automatisch an.
  4. Beckengurte sind durch in Position fahrende Kniepolster (hier Kniegurte) ersetzt.

Viele anderen Merkmale haben Eingang in die Serie gefunden.

Ein ungelöstes Problem ist das Miteinander verschieden schwerer Fahrzeuge. Sie werden jedes für sich für den Aufprall auf ein festes Hindernis entwickelt. Das führt dazu, dass schwere Fahrzeuge ein größere Deformationskraft haben als leichte. Stößt nun ein schweres mit einem leichten Fahrzeug zusammen, deformiert sich sinnwidrig das leichte stärker als das schwere, das meist auch größer ist und daher größere Verformungen aufnehmen könnte. Leichte und schwere Fahrzeuge sind nicht kompatibel. Sie müssen so entwickelt werden, dass sie die gleiche, mit der Deformation leicht ansteigende Deformationskraft haben. Bei einem Zusammenstoß verformen sie sich dann proportional zu ihrer Masse.


 

A III.2  Kraftstoffverbrauch


Der Fahrwiderstand  W eines Kraftfahrzeugs besteht vereinfacht aus Roll- und Luftwiderstand. Diese sind von der Fahrzeugmasse m und dem Luftwiderstandbeiwert cw mal Querschnittsfläche A abhängig.

W = fR m g + cwA/1.6 v² N  (v in m/s)

fR ist der Rollwiderstandbeiwert, etwa 0.01 für PKW und 0.008 für LKW, g ist der Schwerbeschleunigung 8.91 m/s².

Die Luftwiderstandsfläche cwA ist für PKW etwa 0.6, für LKW 6 m².

Der Faktor 1.6 berücksichtigt die Luftdichte bei der Errechnung des Staudrucks.


Die Bilder AIII.2.1 und 2.2 zeigen als Beispiel den Leistungsbedarf an den Antriebsrädern. Die Motorleistung ist wegen der Übertragungsverluste noch um 10 bis 15 % größer.


 alt

Bild III.2.1 Leistung am Rad für einen PKW (links) und LKW Zug. Für den LKW spielt die Steigung eine weit größere Rolle. Bei Horizontaler Fahrbahn ist beim LKW-Zug erst bei 107 km/h der Luftwiderstand so groß wie der Rollwiderstand, beim PKW schon bei 72 km/h. –

Beim hier angenommenen PKW ist bei 150 km/h die erforderliche Leistung bei 5 % Steigung um 76 % größer, bei beim LKW-Zug bei 80 km/h aber um 405 %. LKWs geht schon bei geringer Steigung „die Puste aus“ (Kriechspur). Beachtlich ist auch die Bremsleistung bei 5 % Gefälle, die beim PKW maximal 14 kW bei 80 km/h beträgt, beim LKW aber 340 kW.


alt

Bild A III.2.2: Motor Drehmoment und Leistung über der Drehzahl aufgetragen. Die eingetragenen Zahlen geben den spezifischen Verbrauch bsp in gr/kWh an. (Umrechnung in Wirkungsgrad eta = 100/0.012/bsp %, z.B. 100/0.012/203 = 41 %.) – Im rechten Bild ist der Leistungsbedarf für 50, 80 und 130 km/h bei horizontaler Fahrbahn eingetragen. Erst bei relativ hoher Geschwindigkeit wird der Bereich des minimalen spezifischen Verbrauchs erreicht. . Die dicke rote Linie gibt den Fahrwiderstand bei einer sehr „langen Übersetzung“ an, bei der der Motor im Bereich der günstigen Betriebspunkte dreht. Für diese Übersetzung gilt auch die Geschwindigkeitsskala unten.

Bei sehr kleinen Fahrgeschwindigkeiten wird der Motor-Wirkungsgrad schlecht bzw läge die Drehzahl unter der Mindestdrehzahl. In diesem Fall läuft der Motor  mit höherer Drehzahl und Last (z.B. 2000 UpM und 150 Nm 2000 UpM und 150 Nm) und gutem Wirkungsgrad. Die überschüssige Leistung lädt die Batterie. Wird diese zu voll (z.B. 80 % geladen), dann wird der Verbrennungsmotor abgestellt und das Fahrzeug fährt rein elektrisch bis ein tiefer Ladezustand der Batterie (z.B. 20 %) erreicht ist. Dann beginnt das Spiel von vorn. Zweckmäßig ist es, verbrennungsmotorisch zu beschleunigen oder bergauf zu fahren, elektrisch kontrolliert aber zu verzögern oder bergab zu fahren.

altXX


Bild III.2.3:  Motor Drehmoment und Leistung über der Drehzahl aufgetragen. Die eingetragenen Zahlen geben den spezifischen Verbrauch bsp in gr/kWh an. Übrige Bezeichnungen wie Bild A III.2.2.


Geringer Kraftstoffverbrauch ist seit Anfang an einwichtiges Ziel der Fahrzeugentwicklung. Mit der Verteuerung  des Kraftstoffs rückt er ins Zentrum der Fahrzeugentwicklung

Der minimale Kraftstoffverbrauch wird erreicht

  1. durch eine Verringerung der zu beschleunigenden Fahrzeugmasse,
  2. durch eine Verringerung des Roll- und Luftwiderstands,
  3. durch einen günstigen Wirkungsgrad des Antriebsmotors und
  4. geringe Verluste in der Kraftübertragung.


Für ein gegebenes Fahrzeug und einen gegebenen Verbrennungsmotor als Antriebsquelle wir der minimale Kraftstoffverbrauch dadurch erreicht, dass

  1. ausschließliche Verwendung der Betriebspunkte, in denen der Wirkungsgrad für die betreffende Leistung maximal ist,
  2. die  Übertragungsverluste vom Motor zu den Antriebsrädern minimal sind und
  3. die Masse der Kraftübertragung minimal ist.


Allradhybrid

In Bild    ist eine Kraftübertragung dargestellt, die diesen Ideen folgt. Die Übersetzung wird so gewählt, dass im Motorkennfeld die Fahrwiderstandslinie in den Betriebspunkten mit maximal möglichem Wirkungsgrad liegt. Die Kraftübertragung zum mechanisch getriebenen Rad erfolgt über eine einzige, notwendige Übersetzung und eine Welle. Über dieses Rad wird der gesamte Fahrwiderstand für horizontale Fahrbahn bei Windstille übertragen. Wenn der Fahrwiderstand größer ist (Bergfahrt, Beschleunigen), dann teilt das Planetengetriebe die Leistung des Verbrennungsmotors in einen mechanischen Teil, der dem mechanisch getriebenem Rad zufließt, und einen elektrischen, der Elektromotoren an beliebig vielen anderen Rädern treibt. Damit wird erreicht, dass

  1. der Verbrennungsmotor im günstigsten Betriebspunkt betrieben wird,
  2. geringe mechanische Verluste auftreten und
  3. ein perfekter Allradantrieb ohne weitere Getriebe und Wellen.


Gegenzug

Ein LKW-Zug mit 40 t braucht bei horizontaler Fahrbahn eine Antriebsleistung von rund 140 kW. Bei 5 % Steigung sind 585 kW erforderlich. Dafür werden bei 5 % Gefälle über 300 kW frei, die durch Bremsen in Wärme übergeführt und damit verloren gehen. Wenn man bedenkt, dass im Gegenverkehr so viele LKW-Züge unterwegs sind, ist die Idee nahe liegend, die Bremsenergie im Gegenverkehr  zu nutzen. Das wird möglich, wenn die LKW-Züge miteinander über eine elektrische Leitung verbunden sind, im Obus-Verkehr fahren. Als Motorisierung genügen dann 140 kW, die fortwährend die Fahrwiderstände überwinden. Wenn es bergauf geht, wird aus der Oberleitung die zusätzliche Leistung bezogen, die aber von einem LKW-Zug in Gegenrichtung abgegeben wird.

Bild     zeigt so einen LKW-Zug. Der relativ kleine Motor, der immer im günstigsten Betriebspunkt betrieben wird, ist unterflur untergebracht, wo er das mechanisch getrieben Rad antreibt, das den Fahrwiderstand bei horizontaler Fahrbahn überwindet. Das sind 6.3 kN, bei einer Radlast von 50 kN kein Problem. Die elektrisch getriebenen Räder erhalten bei Bergfahrt ihre Leistung von der Oberleitung und geben bei Talfahrt ihre Leistung dahin ab, statt sie in den Bremsen in Wärme überzuführen. Bei 5 % Gefälle ist die erforderliche Bremskraft 20 kN, aufgeteilt auf 5 Räder also 4 kN pro elektrisch betriebenem Rad. Weil von den 5 Achsen 3 betrieben werden, kann auch bei glatter Fahrbahn  die erforderliche Antriebs- oder Bremskraft übertragen werden. In der Stadt sind die 200 kW des Verbrennungsmotors meist ausreichend. Zum emissionsfreien Fahren und raschen Beschleunigen kann eine leistungsstarke Batterie mitgeführt werden, die auch dort die Bremsenergie nutzt.







XX




Der Verbrauch  von Kraftstoff ist nicht nur ein wirtschaftliches sondern auch ein ökologisches Problem: aus jedem Tropfen wird Abgas, das es zu vermeiden gilt. Kraftstoffsparen kann man

  1. durch kleine Fahrwiderstände (Leichtlaufreifen wegen des Rollwiderstands, kleine Luftwiderstandsfläche cwA wegen des Luftwiderstands),
  2. durch kleineres Gewicht, denn die Masse des Fahrzeugs muss immer wieder beschleunigt und gebremst werden,
  3. durch kleinen elektrischen Verbrauch für Licht, Wischer, Wascher, Sitz- und Scheibenheizung, Radio, Navigation usw.
  4. durch möglichst kurze Leerlaufzeiten, Der Motor darf nur laufen, wenn seine Leistung gebraucht wird und dann nur im der Leistung entsprechenden optimalen Betriebspunkt. 
  5. durch möglichst wenig bremsen, denn wenn man bremsen muss, hat man zuvor zu viel Energie in Geschwindigkeit investiert. Besonders aus hohen Geschwindigkeiten soll man nicht bremsen, sondern das Auto ausrollen lassen. Wenn man von 110 auf 90 km/h bremst, hat man 10 mal so viel Energie in Verlustwärme umgesetzt wie von 20 auf 0 km/h,
  6. durch wenig Kurzstrecken, bei denen Motor und Kraftübertragung kalt sind und viel Reibungswiderstand haben,
  7. durch einen guten Motorwirkungsgrad, der 35 oder 40 % (bei Benzin- oder Dieselmotor) betragen kann, aber auch weniger als halb so viel z.B. bei hoher Drehzahl und geringer Last,
  8. durch einen guten Wirkungsgrad der Kraftübertragung. Automatische Getriebe, Getriebe mit viel Gängen, Allradantrieb brauchen Energie,
  9. durch Wahl der richtigen Geschwindigkeit im Stadtverkehr, in der Grünen Welle, im freien Gelände, wo man an Kurven oder an andere Fahrzeuge ohne Bremsen heranfahren soll.

Hohen Verbrauch kann man auch durch richtige Taktik bekämpfen. Zum Beispiel kann man in der Stadt mit gutem Wirkungsgrad auf 55 km/h beschleunigen und dann (am besten mit abgestelltem Motor) das Fahrzeug auf 45 km/h rollen lassen. Bei horizontaler Fahrbahn rollt man in 25 s 550 m weit. Dann muss man wieder beschleunigen. Natürlich ist das manuell kaum zumutbar. Aber man kann es automatisieren und dabei den Verbrauch halbieren.

Die gleiche Methode geht auch auf der Landstraße: von 90 bis 70 km/h: 25 s, 550 m. Auf der Autobahn: von 145 auf 115 km/h: 20 s, 700 m.

Mit einem Hybridantrieb geht das besser: man fährt im bestmöglichen Betriebspunkt des Motors, der für Antrieb sorgt und zugleich die Batterie lädt. Ist diese fast voll, stellt der Motor ab und man fährt elektrisch bis die Batterie einen bestimmten Ladezustand unterschreitet. Dann beginnt das Spiel von vorn. Natürlich sollte auch dabei der Bordcomputer den richtigen Gang und die richtigen Zeitpunkte wählen. Je nach Fahrzeug und Geschwindigkeit kann man 50 % Kraftstoff sparen.

In der Realität kann man kaum mit gleich bleibender Geschwindigkeit fahren: einmal erzwingt eine Kurve oder ein Vordermann eine kleinere Geschwindigkeit, dann verlängert eine Steigung oder ein Gefälle die Lauf- oder Stillstandszeit des Verbrennungsmotors. Diese Gegebenheiten kann der Fahrer intelligent nutzen: Beschleunigen wenn es bergauf geht oder eine längere Strecke frei ist, frei rollen (möglichst mit abgestelltem Motor) wenn es bergab geht oder die Geschwindigkeit auf der absehbaren Strecke sich reduzieren muss.

 

Es ist ein wunderbares Erlebnis, ein Elektroauto zu fahren, das ausreichende Leistung hat. Leise und ohne Schaltpausen, ohne aufheulenden Motor geht es dahin. Wann wird sich der elektrische Antrieb im Auto durchsetzen? Alle 20 bis 30 Jahre entsteht ein Presserummel um die angeblich kurz bevor stehende Einführung des Elektroautos. Zwar gibt es seit 150 Jahren Elektroautos, doch wurden sie mit der Einführung des elektrischen Starters auf einen verschwinden kleinen Anteil zurückgedrängt. Das wird auch so bleiben, denn das Problem ist der Energiespeicher: während in einem Kilogramm Kraftstoff 12 000 Wh Energie stecken, sind es in der Bleibatterie 30 Wh und in den teuersten "modernen" Batterien 200 Wh.

alt


Bild A 3.31: Laden und Entladen einer Autobatterie. Geladen wird mit 14 V, die Abgabe erfolgt mit 12 V. (nach Bosch Taschenbuch).

Die Batterie ist der Punkt, an dem der Elektroantrieb scheitert, seit es den Verbrennungsmotor gibt. Gesucht ist eine Batterie mit der gleichen oder besseren Energiedichte wir der Kraftstoff: 12 000 Wh/kg. Weil die Batterie gleichzeitig Energiespeicher und Energiewandler (nämlich von chemische Energie in elektrischen Strom) ist, hängt die verfügbare Energie von der Leistung ab, mit der die elektrische Energie entnommen wird, A 3.31. Das Ragone-Diagramm zeigt den Zusammenhang von Energieinhalt und Leistung


altBild A 3.32 Moderne Batterien haben einen sehr viel größeren Energieinhalt und können rascher Entladen werden. Aber sind auch viel teurer.


Für moderne Batterien sind 200 Wh/kg schon ein guter Wert, aber das sind erst 17 % der erwünschten 12 000 Wh/kg. Die Batterieentwicklung geht weiter, sie findet aber ihre Grenze, im beschränkten Energieinhalt chemischer Reaktionen. Wenn man die Verbindungen aller chemischen Elemente untersucht, dann findet man ein Maximum bei Berylliumoxid mit  6 400 Wh/kg.


alt

Bild A 3.33: In der ersten Zeile sind die Elemente mit den Ordnungszahlen 3-5, 11-14, 20  und 26-30 angeschrieben. In den Spalten darunter ist die Energie eingetragen, die bei der Verbindung mit den Elementen der 1. Spalte frei wird. Erwartungsgemäß liefern die leichten Elemente die größeren Energiebeträge. Aber das sind zugleich die reaktionsschnellen, gefährlichen Elemente.

Das sind aber immer noch erst 54 % des Ziels. Ursache ist, dass bei der Verbrennung der schwerere Bestandteil Sauerstoff nicht mitgeführt , sondern aus der Luft entnommen wird. Dorthin wird auch das Reaktionsprodukt als Abgas abgegeben. Aber abgesehen von diesem grundsätzlichen Nachteil sind die Elemente mit großer Energiedichte gefährlich (Be, F, Cl). Und sie stellen nur die sogenannte aktive Masse dar. Die Batterie braucht ein Gefäß für sie, elektrische Leitungen im Inneren, die erheblich zur Gesamtmasse beitragen. Der "leichten Batterie" stehen grundsätzliche Schwierigkeiten entgegen, die eine Annäherung an das erstrebte Ziel grundsätzlich erschweren. Die jahrhundertalte Hoffnung auf die "leichte Batterie" ist grundsätzlich unbegründet.